Viskositeettirangaistus
Lämmönsiirtooppikirjoissa on U-arvoarvioita vedelle-kuten nesteille kohtuullisilla nopeuksilla. Nämä arviot epäonnistuvat, kun niitä käytetään korkean-viskositeettisen polymeeriliuoksien-polyvinyylialkoholi-, karboksimetyyliselluloosa- tai tiivistetyillä lateksiemulsioilla-, joissa viskositeetit ovat 100-10 000 senttipoisia.
Näissä nesteissä Reynoldsin luku on alhainen. Virtaus on laminaarista. Terminen rajakerros on paksu. Luonnollinen konvektio tukahdutetaan. PTFE-lämmönvaihtimen kokonaislämmönsiirtokerroin voi pudota arvoon 50-100 W/m²·K-yhdestä-kolmasosasta viidesosaan vedellä saavutettavasta 280 W/m²·K:sta.
Alennuskertoimen soveltaminen vesi-pohjaiseen U--arvoon on vakiomuotoilutapa. Mutta yksi vähennyskerroin ei riitä, koska viskositeetti on lämpötilasta riippuvainen. Kuuman PTFE-pinnan lähellä olevan nesteen viskositeetti on pienempi kuin bulkkinesteen. Tämä luo itsestään-tehostavan lämmönsiirtovaikutuksen, jota yksinkertainen vakio alentamiskerroin ei ota kiinni.
Lämpötila{0}}viskositeettipalaute
Polymeeriliuoksilla on voimakas lämpötila{0}}viskositeettiriippuvuus. Liuoksen, jonka viskositeetti on 1 000 cP 25 asteessa, viskositeetti voi olla vain 200 cP 60 asteessa -vähennys viisinkertaisesti. Kun tämä neste koskettaa PTFE-putken seinämää 80-100 asteessa, rajakerroksen neste lämpenee seinämän ja bulkkilämpötilojen väliseen lämpötilaan. Sen viskositeetti laskee merkittävästi. Alennettu viskositeetti parantaa lämmönsiirtoa verrattuna siihen, mitä bulkkilämpötilaviskositeettia käyttävä laskelma ennustaisi.
Tämä lämpötilan-viskositeettipalaute kompensoi osittain laminaarisen virtauksen haittaa. PTFE-lämmönvaihdin, joka näyttäisi olevan bulkkiviskositeettilaskelmien perusteella erittäin alimitoitettu, voi toimia riittävästi, koska lämmitetty rajakerroksen neste on paljon vähemmän viskoosia kuin oletetaan.
Oikea vähennyskerroin selittää tämän vaikutuksen. Se ei ole kiinteä kerroin, vaan tietyn polymeeriliuoksen viskositeetti{1}}lämpötilasuhteen funktio.
Taulukko 1: PTFE-lämmönvaihtimien U-arvoa vähentävät tekijät korkeaviskositeettisissa nesteissä
| Nesteen bulkkiviskositeetti käyttölämpötilassa (cP) | Lämpötila{0}}viskositeettiherkkyys | Suositeltu U{0}}-arvo (W/m²·K) | Vähennyskerroin suhteessa veteen (280 W/m²·K) | Huomautuksia |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (veden kaltainen) | Matala | 250-280 | 0.9-1.0 | Mitätön viskositeettisakko |
| 10-50 | Kohtalainen | 180-240 | 0.65-0.85 | Lieviä laminaarisia vaikutuksia |
| 50-200 | Keskitaso-Korkea | 120-180 | 0.43-0.65 | Laminaarivirtaus hallitseva |
| 200-500 | Korkea | 80-130 | 0.29-0.46 | Vahva lämpötila{0}}viskositeettipalaute |
| 500-2,000 | Korkea | 60-100 | 0.21-0.36 | Merkittävä palaute; agitaatio on erittäin hyödyllistä |
| 2,000-10,000 | Erittäin korkea | 40-70 | 0.14-0.25 | Mekaaninen sekoitus välttämätön; luonnollinen konvektio mitätön |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Vähennä nestemäisten nesteiden U--arvoja 30-50 %.
Agitaatiokerroin
Korkean viskositeetin{0}}nesteissä luonnollinen konvektio on heikko tai puuttuu. Lämmönsiirto perustuu täysin mekaanisesta sekoituksesta johtuvaan pakotettuun konvektioon. Ilman sekoittamista kuumennettu nestekerros PTFE-putkien ympärillä pysähtyy. Lämmönsiirto laskee -rajoitettuun johtumisnopeuteen.
Taulukon U--arvot edellyttävät riittävää mekaanista sekoitusta. Jos säiliössä ei ole mekaanista sekoitusta, U--arvoja tulee pienentää vielä 30-50 %. PTFE-lämmönvaihtimen suunnittelussa on oltava sekoitusmääritykset kiinteänä osana lämpömitoitusta.
Nesteiden, joiden viskositeetti on yli 2 000 cP, mekaaninen sekoitus ei ole valinnainen-se on vaatimus hyödyllisten lämmönsiirtonopeuksien saavuttamiseksi. Sekoittimen teho ja juoksupyörän rakenne tulee määrittää lämmönvaihtimen pinta-alan rinnalla.
Mitoitusmarginaali epävarmuuden vuoksi
Polymeeriliuosten viskositeettitiedot mitataan usein muutamassa erillisessä lämpötilassa ja ekstrapoloidaan. Ekstrapolointi tuo epävarmuutta U--arvon laskemiseen. Konservatiivista 15-25 % lisäpinta-alaa suositellaan käytettäväksi sovelluksissa, joissa viskositeettitietojen laatu on epävarma.
Pilotti-mittakaavan lämmönsiirtotesti varsinaisella prosessinesteellä, jos mahdollista, tarjoaa luotettavimman U--arvotiedot. Testissä käytetään pientä PTFE-käämiä, joka on upotettu prosessinesteen näytteeseen, ja mitataan lämmöntuotto ja lämpötilavaste. Tuloksena oleva U--arvo skaalataan täysikokoiseen-vaihtimeen ilman, että epävarmuus vähenee.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet, jotka toimivat korkean-viskositeettisissa polymeeriliuoksissa, vaativat U--arvon vähennyskertoimet 0,14–0,85 suhteessa vesi--pohjaisiin suunnitteluarvoihin, riippuen bulkkiviskositeetista ja lämpötilaherkkyydestä. Lämpötila-viskositeettipalautevaikutus lämmitetyssä rajakerroksessa kompensoi osittain laminaarisen virtauksen haittaa.
Mekaaninen sekoitus on välttämätöntä hyödylliselle lämmönsiirrolle nesteissä, joiden paine on yli 500 cP. 15{4}}25 %:n kokomarginaalit selittävät viskositeettitietojen epävarmuuden. Kriittisissä sovelluksissa pilottiluokan lämmönsiirtotestaus eliminoi alenemisen epävarmuuden.
Tekninen analyysi PTFE-lämmönvaihtimien mitoituksesta tietyissä korkean{0}}viskositeettisovelluksissa on saatavilla, kun toimitetaan nesteen viskositeetti-lämpötilatiedot, käyttölämpötila-alue, sekoitusmenetelmä ja -intensiteetti sekä vaadittu lämpöteho.
